Impulsar la producción de biocombustibles como el etanol podría ser un paso importante hacia la reducción del consumo mundial de combustibles fósiles. Sin embargo, La producción de etanol está limitada en gran parte por su dependencia del maíz, que no se cultiva en cantidades lo suficientemente grandes como para cubrir una parte significativa de las necesidades de combustible de EE. UU.

Para intentar expandir el impacto potencial de los biocombustibles, un equipo de ingenieros del MIT ha encontrado una manera de expandir el uso de una gama más amplia de materias primas no alimentarias para producir dichos combustibles. En este momento, Las materias primas como la paja y las plantas leñosas son difíciles de utilizar para la producción de biocombustibles porque primero deben descomponerse en azúcares fermentables. un proceso que libera numerosos subproductos que son tóxicos para la levadura, los microbios más utilizados para producir biocombustibles.

Los investigadores del MIT desarrollaron una forma de eludir esa toxicidad, haciendo factible el uso de esas fuentes, que son mucho más abundantes, para producir biocombustibles. También demostraron que esta tolerancia se puede transformar en cepas de levadura utilizadas para fabricar otros productos químicos. potencialmente haciendo posible el uso de material vegetal leñoso "celulósico" como fuente para fabricar biodiésel o bioplásticos.

"Lo que realmente queremos hacer es abrir las materias primas de celulosa a casi cualquier producto y aprovechar la gran abundancia que ofrece la celulosa, "dice Felix Lam, investigador asociado del MIT y autor principal del nuevo estudio.

Gregory Stephanopoulos, el profesor Willard Henry Dow de Ingeniería Química, y Gerald Fink, la Profesora Margaret y Herman Sokol en el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica y la Profesora de Genética de la Sociedad Estadounidense del Cáncer en el Departamento de Biología del MIT, son los autores principales del artículo, que aparece hoy en Avances de la ciencia .

Impulsando la tolerancia

En la actualidad, alrededor del 40 por ciento de la cosecha de maíz de EE. UU. se destina al etanol. El maíz es principalmente un cultivo alimenticio que requiere una gran cantidad de agua y fertilizantes. por lo que el material vegetal conocido como biomasa celulósica se considera un atractivo, fuente no competitiva de combustibles renovables y productos químicos. Esta biomasa, que incluye muchos tipos de paja, y partes de la planta de maíz que normalmente no se utilizan, podría ascender a más de mil millones de toneladas de material por año, según un estudio del Departamento de Energía de EE. UU., suficiente para sustituir entre el 30 y el 50 por ciento del petróleo utilizado para el transporte.

Sin embargo, dos obstáculos importantes para el uso de biomasa celulósica son que la celulosa primero debe liberarse de la lignina leñosa, y la celulosa luego debe descomponerse en azúcares simples que la levadura puede usar. El preprocesamiento particularmente agresivo necesario genera compuestos llamados aldehídos, que son muy reactivos y pueden matar las células de levadura.

Para superar esto, el equipo del MIT se basó en una técnica que habían desarrollado hace varios años para mejorar la tolerancia de las células de levadura a una amplia gama de alcoholes, que también son tóxicos para la levadura en grandes cantidades. En ese estudio, demostraron que agregar al biorreactor compuestos específicos que fortalecen la membrana de la levadura ayudó a la levadura a sobrevivir mucho más tiempo en altas concentraciones de etanol. Usando este enfoque, pudieron mejorar el rendimiento de etanol combustible tradicional de una cepa de levadura de alto rendimiento en aproximadamente un 80 por ciento.

En su nuevo estudio, los investigadores diseñaron levadura para que pudieran convertir los aldehídos del subproducto celulósico en alcoholes, permitiéndoles aprovechar la estrategia de tolerancia al alcohol que ya habían desarrollado. Probaron varias enzimas naturales que realizan esta reacción, de varias especies de levadura, e identificó uno que funcionó mejor. Luego, utilizaron la evolución dirigida para mejorarla aún más.

"Esta enzima convierte los aldehídos en alcoholes, y hemos demostrado que la levadura se puede hacer mucho más tolerante a los alcoholes como clase que a los aldehídos, utilizando los otros métodos que hemos desarrollado, "Dice Stephanopoulos.

Las levaduras generalmente no son muy eficientes para producir etanol a partir de materias primas celulósicas tóxicas; sin embargo, cuando los investigadores expresaron esta enzima de alto rendimiento y enriquecieron el reactor con los aditivos que refuerzan la membrana, la cepa más que triplicó su producción de etanol celulósico, a niveles que coinciden con el etanol de maíz tradicional.

Abundantes materias primas

Los investigadores demostraron que podían lograr altos rendimientos de etanol con cinco tipos diferentes de materias primas celulósicas, incluyendo pasto varilla, paja de trigo, y rastrojo de maíz (las hojas, tallos y las cáscaras que quedan después de la cosecha del maíz).

"Con nuestra cepa diseñada, Básicamente, puede obtener la máxima fermentación celulósica de todas estas materias primas que suelen ser muy tóxicas. "Dice Lam." Lo bueno de esto es que no importa si tal vez una temporada los residuos de maíz no sean tan buenos. Puedes cambiar a pajitas energéticas, o si no tiene alta disponibilidad de pajitas, puedes cambiar a una especie de pulpa, residuo leñoso ".

Los investigadores también modificaron su enzima aldehído a etanol en una cepa de levadura que ha sido diseñada para producir ácido láctico. un precursor de los bioplásticos. Como hizo con el etanol, esta cepa pudo producir el mismo rendimiento de ácido láctico a partir de materiales celulósicos que a partir del maíz.

Esta demostración sugiere que podría ser factible modificar la tolerancia al aldehído en cepas de levadura que generan otros productos como el diesel. Los biodiésel podrían tener un gran impacto en industrias como el transporte pesado, Envío, o aviación, que carecen de una alternativa libre de emisiones como la electrificación y requieren grandes cantidades de combustible fósil.

"Ahora tenemos un módulo de tolerancia que puede atornillar a casi cualquier tipo de vía de producción, ", Dice Stephanopoulos." Nuestro objetivo es extender esta tecnología a otros organismos que son más adecuados para la producción de estos combustibles pesados, como aceites, diesel, y combustible para aviones ".